¿Por qué este oscilador de transistor no funciona a 100 MHz?

Creo que este es un malentendido común de la característica de "frecuencia de transición" de los transistores / amplificadores operacionales. Una frecuencia de transición de 300 MHz no significa que el transistor "funciona" hasta 300 MHz. Significa que por encima de 300 MHz será completamente inútil (ganancia < 1, sin importar el modo de operación que use).

Los esquemas prácticos esperan que los transistores tengan una ganancia >> 1 (entre otras cosas), por lo que, a menos que su diseño tenga en cuenta la degradación severa de los parámetros que ocurre a medida que se acerca a la frecuencia de transición, debe apuntar a una frecuencia que sea al menos un orden de magnitud (es decir, 10 veces) menor que la frecuencia de transición, y en aplicaciones de alta ganancia es común usar partes a 1/100 de su frecuencia de transición.

¿Por qué este oscilador de transistor no funciona a 100 MHz?

En una de sus preguntas anteriores , propuse este circuito oscilador de 100 MHz: -

Como puede ver, L1 es aproximadamente diez veces lo que está usando y C1 y C2 también son mucho más pequeños que lo que propone en su circuito. También necesita usar un transistor que tenga un β decente en GHz, posiblemente un BFR90 para obtener resultados cercanos a las fórmulas.

En mi simulación anterior, obtuve 100,6 MHz pero eso fue con un BC547. Teóricamente, debería rondar los 140 MHz (de memoria) y, para lograrlo, necesitará un transistor mucho mejor o vivir con la discrepancia entre la realidad y la fórmula.

1. Ha elegido un transistor que no tiene mucha ganancia en$100\mathrm{MHz}$, y
2. La impedancia característica de su circuito de tanque es demasiado, demasiado baja.

No tengo datos para un 2N2222 a mano, pero la hoja de datos que tengo a mano para un 2N3904 enumera un$f_T$de$250\mathrm{MHz}$. Puede hacer que un transistor oscile en o por debajo de su$f_T$, pero las cosas se ponen difíciles y la calidad del oscilador es baja.

Una regla general típica es utilizar un$f_T$eso es 10 veces más alto que su frecuencia de diseño. Esto significará que el diseño de su tablero no será trivial ($1\mathrm{GHz}$-- ¡Eek!), pero ciertamente para la simulación debería funcionar*. Probablemente puedas atenuar eso un poco. Entonces, encuentre un transistor con$f_T \ge 500\mathrm{MHz}$.

Un oscilador oscila porque le pones una señal, gira alrededor del bucle y sale exactamente con la misma fase y amplitud. Para hacer que algo oscile, necesita una ganancia de bucle significativamente mayor que 1 en el cambio de fase cero. Hay muchas maneras de lograr esto: para un oscilador Colpitts estándar de pantano, con un transistor de señal pequeña, eso significa que a su frecuencia de diseño, sus capacitores deben tener un$X_C \simeq 100\Omega$, y su bobina debe tener un$X_L \simeq 200\Omega$. Su$250\mathrm{pF}$las gorras tienen$X_C \simeq 6.5\Omega$-- eso simplemente no va a funcionar**.

Entonces, cambie su transistor, ambas tapas y su bobina, y tendrá algo que debería simular OK. Luego, cuando esté listo para diseñarlo, vuelva a consultar aquí porque es casi seguro que se equivocará.

* Para el diseño de RF de la década de 1980 al que estoy acostumbrado, con componentes de orificio pasante y transistores TO-92 encapsulados,$100\mathrm{MHz}$es llegar al límite superior de frecuencias a contemplar sin acudir a métodos de "microondas". Con todas las piezas de montaje en superficie y un diseño ajustado, probablemente pueda usar un oscilador Colpitts "tradicional", pero es posible que deba optar por un circuito más "microondas", en el que debe tratar cada traza del circuito como un resonador. Tener en tus manos algunos diseños recientes de radioaficionados es probablemente una muy buena idea.

** Tal vez para alguna aplicación de súper alta potencia, donde está usando un transistor de salida de RF que está sesgado para tener ganancia en una carga de tan baja impedancia. Pero no con un transistor de pequeña señal.

Mi recuerdo de un oscilador "independiente" es que tiene retroalimentación positiva en el circuito y depende de la amplificación del ruido del componente para comenzar a oscilar. El ruido del mundo real y las condiciones de arranque no se duplican fácilmente en un modelo de simulador, por lo que es posible que deba aplicar consejos y trucos para simular el oscilador.

Esta referencia describe el problema de inicio, como se cita a continuación, y el artículo tiene muchos más consejos y trucos específicos que pueden o no estar relacionados con la respuesta a su pregunta específica:

https://docs.easyeda.com/es/Simulación/Capitulo9-Condiciones-iniciales-y-arranque-de-circuitos/index.html

Incluso si el circuito es un oscilador, antes de t=0 se supondrá que se encuentra en un estado estable no oscilante. En t = 0, el circuito comenzará desde esas condiciones iniciales de CC. Luego, continuará en ese estado constante sin oscilación o se alejará lentamente del estado constante de CC y se acumularán oscilaciones.

El estado inicial de los osciladores basados ​​en un circuito sintonizado, como el cambio de fase, el puente de Wien y los osciladores de cristal, estará definido por sus condiciones de polarización de CC. Si no hay fuentes de ruido en el circuito (el estado predeterminado para todos los componentes a menos que se especifique lo contrario, como resistencias definidas para tener contribuciones de ruido), entonces no hay nada que empuje al circuito fuera del equilibrio y, por lo tanto, es posible que nunca comience a oscilar.

Aunque en la mayoría de los casos tales osciladores finalmente se iniciarán debido a la fuente de ruido 'oculta' que se debe simplemente al ruido matemático generado por la resolución finita y los errores de redondeo de los cálculos realizados al ejecutar una simulación, esto puede llevar mucho tiempo. tiempo en comparación con el tiempo necesario para hacer funcionar el oscilador en un estado oscilatorio estable durante unos pocos ciclos. Los osciladores de cristal, en particular, pueden tardar cientos de miles de veces el período del oscilador en iniciarse y alcanzar un estado estable.

Para minimizar el tiempo de simulación que se tarda en esperar a que se inicie un oscilador, es útil introducir alguna condición de arranque inicial para "poner en marcha" el circuito en oscilación.

Tenga en cuenta que un microcontrolador típico permite al diseñador de circuitos especificar un retraso de inicio que ayuda a garantizar una señal de oscilador estable antes de la ejecución del programa después de la condición de encendido, caída de tensión o reinicio.